专利名称：用于差压传感器的电容数字接口电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种测量系统。更具体地，本发明涉及一种用于与电 容性差压传感器一起使用的电容数字(capacitance-to-digital)调制器。
背景技术：
现场变送器是一种用于监控工业过程的操作的设备。现场变送器 包括变换器(transducer),该变换器响应于传感元件的测量过程变量， 并将该变量转换为标准化的传送信号，该传送信号是所测量的变量的 函数。术语"过程变量"是指物质的物理或化学状态或能量的转换。 过程变量的示例包括压力、温度、流、传导性以及pH。
Roger L. Frick和David A. Broden的美国专利No. 6,295,875中描 述了一种这样的变送器。该变送器采用具有可偏转的传感隔板的电容 性传感器，以及三个或更多个电容器电极，这些电容器电极与所述隔 板形成了分离的电容性传感元件。两个所述电容器元件是主传感电容 器，差动地设置该主传感电容器，使得该主传感电容器的电容与过程 变量成反比地充电。第三和第四电容器元件是补偿电容器，用于提供 表示偏移误差或与该主电容器相关联的磁滞的信号。由于向该隔板的 一侧或两侧施加了压力，因此该隔板偏转。可以通过测量与偏转相关 的电容比值的变化来检测该隔板的偏转。使用模数转换器将该电容比 值转换为数字格式。
模数转换器的一种特别有利的形式是使用S-A (或A-S)调制器。 以下文献中描述了S-A调制器在变送器中的使用Roger L. Frick和John P. Schulte的美国专利No. 5,083,091、 Michael Gaboury的美国专 利No. 6,140,952、Rongtai Wang的美国专利No. 6，509，746以及Rongtai Wang的美国专利No. 6,516,672。
在具有2-A调制器用作电容数字(CD)转换器的变送器中，激励 电路向电容性传感器元件提供了电荷包。对该传感器元件充以基于该
电容性元件的电容值的电量。将该电荷转移至i:-A调制器的积分器/放
大器，以产生作为电容比值的函数的1比特的二进制输出。
CD调制器的基本功能是将该电容比值转换为PCM (脉冲编码调 制)信号。将测量的电容比值定义为77 = 0^-C》/(CV + CV)，其中 Cx和Cy表示具有公共极板(plate)的两个传感器电容器的电容。
对于使用S-A架构的CD调制器，实际过程包括将电荷比值转换为 PCM信号。在正常操作条件下，由于电荷与电容成正比，因此，该电 荷比值等于该电容比值。
然而，在特定的异常操作条件下，这个等价关系不正确。 一种这 样的操作条件是过压以及在一个传感器电容器中出现短路。由于由短 路引起的泄漏，从该传感器电容器转移出的电荷可能非常少。因此， 由PCM信号提供的数字读数不等于该电容比值。不仅该读数的幅值 不正确，在许多情况下，甚至该读数的极性都是错误的。这种现象被 成为"折回异常(fold-back anomaly)"。需要改进的电路来消除这种 折回异常。
发明内容
一种二阶电容数字(CD)调制器，包括第一和第二级S-A积分器， 所述积分器在两阶段操作中一起操作，其中，所述第一阶段是自动归 零阶段，而所述第二阶段是积分阶段。在所述自动归零阶段，所述第 一级S-A积分器不复位，使得第二级S-A积分器可以在所述自动归零阶 段对所述第一级S-A积分器的输出进行采样，并在所述积分阶段对其 进行积分。
所述第一级S-A积分器的自动归零电容器提供了对由过压和短路 条件的组合而导致的折回异常的抑制。在每个自动归零阶段，所述自动归零电容器存储电压，所述电压是传感器电容器的泄漏电阻的函数。
图1是差压变送器的框图。
图2是图1的变送器的电容数字(CD)调制器的框图。
图3是图2的CD调制器的第一级积分器的一个实施例的示意图。
图4是示出了图3的第一级积分器的VouT,、自动归零(Z)以及
积分(I)信号的示例的图。
图5是图2的CD调制器的第二级积分器的示意图。
图6是图2的CD调制器的量化器的示意图。
图7A和7B示出了来自图2-6的CD调制器的正常操作的计算机
仿真的第一级输出电压V0UT1以及脉冲编码调制压力信号PCMP的波形。
图8A和8B示出了来自图2-6的CD调制器的过压/短路操作的计 算机仿真的第一级输出电压V0UT1以及脉冲编码调制压力信号PCMP 的波形。
图9是图2的CD调制器的第一级积分器的另一个实施例的示意图。
图IOA和IOB分别示出了输出电流和输出电压，该输出电流和输 出电压是运算跨导放大器(OTA)缓存器的负载电阻的函数。
图IIA禾卩11B示出了在图9的第一级积分器中使用的OTA缓存
器的输出电流和输出电压特性的计算机仿真。
图12A和12B示出了来自没有抗折回电路的CD调制器的过压/ 短路操作的计算机仿真的第一级输出电压V0UT1以及压力信号PCMP 的波形。
图13A和13B示出了来自包括图9的第一级积分器在内的CD调
制器的过压/短路操作的计算机仿真的第一级输出电压VouT,以及压力
信号PCMP的波形。
具体实施方式
图1示出了压力变送器10，该压力变送器10是基于电容的差压变
送器，包括主传感器电容器CMX和CMY、线性补偿电容器CLX和C^、电
阻器Rx和Ry、模拟部分12 (包括二阶电容数字(CD)调制器14、 一 阶电压数字(VD)调制器16以及数字接口18)、数字部分20、微处理 器22以及接口24。通过接口24提供变送器10与控制室之间的通信。所 述通信可以通过双线环路或网络，在该网络上传送模拟、数字或模拟 和数字组合的信号，或者所述通信可以经由无线传输。
模拟部分12和数字部分20可以被结合在混合信号专用集成电路 (ASIC)芯片中。模拟部分12的数字接口单元18从数字部分20接收数 字时钟信号及其他控制信号。数字接口单元18提供了数字部分20所需 的信号电平与模拟部分12所需的信号电平之间的电平位移功能。数字 接口单元18还为CD调制器14和VD调制器16产生定时信号和其他控制 信号。
数字接口单元18所提供的定时信号包括归零阶段信号Z和ZD、积 分阶段信号I和ID、量化器定时信号SCK和DCK以及复位信号。
二阶CD调制器14是S-A转换器，它在输入节点30和32处接收电容 瑜入Cx和Cy，并产生脉冲编码调制压力(PCMP)信号，该信号是电 容Cx和Cy之差除以电容Cx和CY之和的函数。CD调制器14从数字接口 单元18接收定时和控制信号，并产生激励信号SENEX和LINEX。
组件CMx和CMY表示传感器电容器，其公共极板连接以接收传感器
激励信号SENEX。组件CLx和CLY是线性补偿电容器，其公共极板与线 性化激励信号LINEX连接。输入电容Cx和Cy定义为
Cx幽Cnix - CXx
差分电容比值11P为 CD调制器14的传递函数为
其中，Dp是PCMP信号的脉冲密度。对于正常操作，比值rjp的动态范围是-
-ass <xs,
其中Cx和CY每个都可以达到约100pF的最大有效电容。在带有短路的 过压情况下，CD调制器14必须是无折回的。
VD调制器16是一阶S-A转换器或积分器，在其输入节点34处从分 压器接收电压输入VTIN，该分压器由电阻器Ro和温度传感电阻器RTD 执行。VD调制器16的输出是脉冲编码调制温度(PCMT)信号。
将从CD调制器14和VD调制器16输出的PCMP和PCMT提供给数 字部分20，在数字部分20中对上述信号进行滤波。将基于滤波后的 PCMP和PCMT信号的压力和温度数据存储在数字部分20中，以供微处 理器22使用，并用于通过接口电路24传送。
图2示出了CD调制器14的框图，CD调制器14包括第一级积分器 40、第二级积分器42、量化器44、控制单元46以及偏置电路48。第一 级积分器40是S-A积分器，其产生作为电容Cx和CY的函数的第一级输 出。在由定时信号Z和ZD所定义的第一 (或自动归零)阶段期间，积 分器40操作于自动归零模式，其中，ZD相对于Z略微延迟。在由定时 信号I和ID所定义的第二 (或积分)阶段期间，积分器40操作于积分模 式，其中，ID相对于I略微延迟。基于从量化器44输出的输出信号Y的 状态来选择哪个输入(Cx或Cy)与积分器40连接。
第二级积分器42是S-A积分器，它对第一级积分器40的输出进行 采样，并产生提供给量化器44的输出。由于第一级积分器40在自动归 零阶段期间不复位，因此，可以采用两阶段的二阶CD调制。第二级积 分器42使用定时信号Z、 ZD、 I和ID，在与第一级积分器40相同的时间
执行其自动归零和积分阶段。
量化器44的功能是将第二级积分器42的输出转换为脉冲编码调 制信号PCMP，将该信号传送至数字部分20。量化器44也提供信号Y， 该信号是PCMP信号的取反。CD控制电路46以及第一级积分器40使用 Y。
控制电路46的主要功能是产生SENEX信号和LINEX信号。根据Y 以及定时信号ZD和ID来产生这些信号。SENEX和LINEX信号在中间电平激励电压源VMID与低端激励电压源VSSA之间切换。LINEX信号 是SENEX信号的取反。
CD偏置电路48为积分器40和42的放大器以及量化器44的比较器 提供了源电流。它也为该放大器提供偏压，并为VD调制器16的偏置电 路提供源电流。
图3是第一级积分器40的电路示意图。同样在图3中示出的还有传 感器电容器Cx和Cy、泄漏电阻器R虹和R孔以及电阻器Rx和RY、以及 CD控制单元46的简图。
第一级积分器40包括放大器A,、反馈电容器Cn、自动归零电容器 CZ1、开关SWr SW7以及片上电阻器RrR3。在一个实施例中，反馈电 容器Cn为150pF，自动归零电容器Czi为30pF，电阻器R,和R2每个是 10kQ，电阻器R3是4kQ。
开关S,- S7的开关控制信号SWA和SWB是
<formula>formula see original document page 11</formula>
第一级积分器40的操作如下。在自动归零阶段期间，开关SWs断 开，开关SW6和SW7接通。在电容器Cz,中存储放大器A!的偏移，而不 复位第一级积分器40 (即不对反馈电容器Cn放电)。同时，对传感器 电容器(Cx或Cy)进行充电或放电。
在Y为高的情况下，选择传感器Cx， SW,将传感器Cx的输入节点 与积分器40的公共节点A连接。在Y为高以及ZD为高的情况下，CD控 制电路46的开关SWB接通，并且向传感器Cx施加的SENEX信号为 VSSA。由此，由于积分器40的积分器输入节点A通过开关SW7和电阻 器R3连接至VMID，因此，在Cx两端建立了电压降。
在Y为低的情况下，SW3将传感器CY与积分器40的积分器输入节点A连接。在这种情况下，开关SWA接通而SWB断开，因此SENEX节
点与VMID连接。由于开关SW3和SW7闭合，在Cy的两个极板上都施加
有电压VMID，因此，CY两端的电压降为零。
在积分阶段期间，开关SWs接通，并且开关SW6和SW7断开。积 分器40处于积分模式。
在Y为高的情况下，由于开关SWB断开而开关SWA接通，因此 SENEX节点将突然从VSSA改变至VMID。正电荷包通过SW,从Cx转移 至积分器40的积分器输入节点A。由此，在Vou^下建立了负的电压阶 跃(step)。
在Y为低的情况下，SENEX节点突然从VMID切换至VSSA。负电
荷包通过SW3从Cy转移至积分器输入节点A。由此，在Vout,下建立了
正的电压阶跃(step)。
激励电压△ Vex是VMID和VSSA之间的电压差。在每次操作中， 从Cx或CY转移至第 一 级积分器40的电荷量可以分别表示为 AQx^Cx.AVex或厶Qy-CV厶Vex。使用No表示Cx的操作次数，N,表
示Cy的操作次数，而N- Nq+ N,表示总的操作次数，则第一级积分器 40的电荷平衡等式可以写为<formula>formula see original document page 12</formula>
这给出了所需的测量关系-
<formula>formula see original document page 12</formula>
其中，比值N,/N是PCMP信号的脉冲密度。
图4示出了第一级积分器40的V(xm的示例波形，以及归零阶段信 号Z和积分阶段信号I。在本示例中，Cx=75pF， CY=25pF， Cn=150pF， Cz=30pF，以及VDDA-4.8V， VSSA=0， VMID=2.4V。
如图4所示，在自动归零阶段期间(当Z为高)，保持第一级积分 器40的瑜出Vout,。换言之，在每个归零阶段期间，没有将VouT，复位 为零。这允许了两阶段的二阶操作，在该操作中，第二级积分器42使 用与第一级积分器40相同的自动归零和积分阶段。由此，减少了CD 调制器14所需的开关和控制信号的数目，降低了电路复杂度和布图复杂度，并改进了积分器40和42的稳定(settling)。
图5示出了第二级积分器42的电路示意图，第二级积分器42包括 放大器82、反馈电容器Cp2、自动归零电容器Cz2、两个采样电容器C, 和C2以及开关SWs-SW^。在一个实施例中，CF2=40pF， Cz=10pF， C产20pF以及C尸10pF。
SWrSWu的开关控制信号是-
6TFp黒o- 2D Ww - ZD
肪犯r
图6是CD量化器44的简化电路示意图，CD量化器44将Vqut2与 VMID进行比较，并产生脉冲编码调制压力信号PCMP以及控制信号 Y。 CD量化器44包括比较器50、 D触发器52以及反相器54和56。
比较器50的正输入节点连接至VMID，而负输入节点连接至第二 级积分器42的输出VouT2。定时信号SCK为比较器50提供了有效的低触 发。
D触发器52用于同步目的。它由DCK信号的前沿触发。该前沿位 于积分阶段定时信号ID的下降沿与自动归零阶段定时信号Z的上升沿 之间。
两级CD调制器14提供了自动的折回特征，而无需短路检测器或其 他辅助电路来抑制折回异常。需要考虑以下两种情况Cx侧过压并带 有短路；以及CY侧过压并带有短路。在这两种情况下，第一级积分器 40防止了折回。
在Cx侧过压并带有短路的情况下，自动归零电容器Cz,也用作短
路适配器。在自动归零阶段期间，开关SW6和SW7闭合，SWB闭合，
将VSSA施加给Cx。电流从VMID经过R3和SW7流向节点A,并通过. SW,、 Rx以及Rxl流向VSSA。由于Cx两端的小的泄漏电阻RxL (即短 路)，在自动归零阶段期间，积分器输入节点A处的电压变得远低于VMID。在自动归零阶段期间，对该较低的电压进行采样，第一积分 器40在积分阶段中保持该较低的电压。
在积分阶段期间按，SWs闭合，SW6和SW7打开，SWA闭合，以将 VMID施加给Cx。在积分阶段期间，节点A处的较低电压感应通过RxL、 Rx以及SW,和SWs流入Cn的电流。正是该感应电流保持积分器40饱 和。由此，不会出现折回异常。
在CY侧过压并带有短路的情况下，由于当Y为低而ZD为高时，向
Cy的两个极板施加VMID，因此在自动归零阶段中，Cy上的电压降被 放电为O。因此，CY两端的泄漏电阻器RYL对CY两端的电压不起作用。
在Y为低的积分阶段中，SENEX节点与VSSA连接。CY两端的短路电
流使积分器饱和甚至更深，并且不会出现折回异常。
为了保护VMID电压源免受过压短路影响，在图3所示的积分器40 中提供了电阻器RrR3。将电阻器R,放置在开关SW2与VMID之间。将 电阻器R2放置在开关SW4与VMID之间。将电阻器R3放置在开关SW7 与VMID之间。按照这样的方式来选择这些电阻器的值，以使得从 VMID至VSSA的平均DC电流泄漏始终小于100毫安。同时，RC时间常 数适度地小，以使得第一级积分器40能够根据需要而稳定(settle)。
为了说明自动折回抑制，使用HSPICE软件来执行电路操作的仿 真。图7A和7B以及图8A和8B示意了其结构。
图7A和7B是具有正常输入的CD调制器14的操作的示例。在本示 例中，Cx=75pF， CY=25pF， CF1=150pF， Czl=30pF，以及VDDA^4.8V， VSSA=0， VMID=2.4V。图7A示出了第一级积分器40的输出Vcnm的波 形。图7B示出了对应的脉冲编码调制输出信号PCMP。
图8A和8B示出了在其中出现X侧过压以及短路的示例。在本示例 中，Cx=2,000pF， CY=10pF， CF1=150pF， Czl=30pF， VDDA=4.8V， VSSA=0，以及VMID-2.4V。 Cx两端的泄漏电阻器RxL为l欧姆，而Cy 两端的泄漏电阻器RYL为1G欧姆。图8A示出了第一级积分器40的输出 V(xm的波形。图7B示出了对应的脉冲编码调制输出信号PCMP的波 形。可以看出，除了X侧过压和短路的组合效应之外，输出信号PCMP 指示高或过压条件。图9示出了第一级积分器的另一个实施例40'，该实施例与图3所示 的实施例总体类似，除了使用运算跨导放大器(OTA)缓存器70替代 保护电阻器R,-R3，该OTA缓存器70将中间电平的供电电压(VMID) 转换为可变电压VMIDA，该可变电压根据OTA缓存器70的输出处的负 载电阻而变化。OTA缓存器70的正输入与VMID连接。OTA缓存器70
的负输入和输出连接在一起。
图10A和10B分别示意了OTA缓存器70的输出电流和输出电压特 性。在图10A中，将OTA缓存器70的输出电流IouT示为负载电阻RL的函
数。在负载电阻RL大于特性电阻Ro的区域中，缓存器输出电流IOUT随 着负载电阻RL的增大而减小。其关系近似为/。^-F^,/i^。在负载电
阻Rl小于Ro的区域中，缓存器输出电流IouT近似保持常数。该常数电 流等于OTA缓存器70的最大转换(slew)电流10。
如图10所示，输出电压VouT也根据负载电阻RL而变化。在负载电
阻R^大于Ro的区域中，OTA缓存器70的输出电压VouT由输出电流IouT 以及OTA缓存器70的跨导GM来确定。即
在负载电阻Ri/J、于Ro的区域中，缓存器输出电压VouT随着负载电阻的
减小而减小
可以通过& ^ w / /W7来估计该特性电阻值R0 。
在没有短路的正常操作条件下，传感器电容器Cx的泄漏电阻R^ 非常高。在自动归零阶段期间，由于OTA缓存器70所看到的负载电阻 为Rx+R)a (因此非常高)，因此，缓存器70用作恒定电压源。缓存器 7 0的输出处的VMID A与VMID相差较小的偏移。
在自动归零阶段期间，电压差VMIDA-VSSA完全落在传感器电容 器Cx两端，并在传感器电容器Cx中存储所需的电荷包。在积分阶段期 间，在正常操作期间，在积分器输出节点处建立了期望的电压阶跃。 在没有短路的过压的情况下，由于输入电容器Cx的值超过了反馈电容 器Cn的值，因此，积分器40'变为饱和。
在包括带有短路的Cx过压的异常操作条件下，传感器电容器Cx两端的泄漏电阻RxL非常小。在自动归零阶段期间，由于OTA缓存器70 所看到的有效负载电阻远小于Ro，因此缓存器70用作通过开关SW,、 Rx和RxL以及开关SWB到供电电压VSSA的电流源。缓存器输出电压 VMIDA变得与VMID小。较低的缓存器输出电压VMIDA在节点A处导 致了较低电压。将节点A与放大器A,的负输入之间的电压差存储在自 动归零电容器Cz,中。
在积分阶段期间，由于自动归零电容器Cz,中所存储的电压，感应 了电流。该电流从VMID通过SWA、 Rxl、 Rx、 SW和SWs流入反馈电 容器Cf,。正是这个电流迫使积分器40'完全饱和。
概括而言，利用图9所示的实施例，在自动归零阶段期间，将泄 漏电阻RxL(模拟变量)被转换为输入节点A的电压(另一个模拟变量)， 并将其存储在自动归零电容器Cz,中。在积分阶段期间，自动归零电容 器Cz,中存储的电压将控制积分运算。在带有短路的过压的情况下，积 分器40'将变为饱和。
为了说明图9所示的电路的自动折回抑制，使用HSPICE软件来执 行对电路操作的仿真。图11A和11B、 12A和12B以及13A和13B中示意 了其结果。
图11A和11B示出了对具有可变电阻负载的OTA缓存器70的特性 的HSPICE仿真结果。图UA示出了输出电流，图11B示出了输出电压。
在图11A和11B所示的仿真结果中，缓存器电路的供电电压是 4.8V，参考输入VMID是2.4V。在本仿真中，采用线性电压控制负载 电阻器。也就是说，当控制电压是lVc时，负载电阻器值是100K。当 控制电压为500V时，该负载电阻器值为50K。在本仿真中，特性负载 电阻为Rf45.4K。
图llA将输出电流IouT示为控制电压Vc的函数。在Ri/j、于Ro的区 域中，输出电流接近常数(约58pA)。在负载电阻Rt大于特性负载电 阻Ro的区域中，输出电流随着RL的增大而减小。
图llB示出了与控制电压Vc相对的输出电压VouT。在负载电阻Rt 小于特性负载电阻Ro的区域中，输出电压VouT随着负载电阻器值(控 制电压)的减小而减小。在负载电阻RL超过特性负载电阻Ro的区域中，缓存器输出电压VouT接近常数。
图12A和12B示出了没有抗折回电路的CD调制器的HSPICE仿真 结果。图12A示出了表示第一级积分器40'的输出的输出电压VouT,的波 形。图12B示出了PCMP输出信号的波形。
在本仿真中，输出传感器电容大小为Cf2,000pF和Cfl0pF。 X 侧的泄漏电阻器为Rx^500欧姆，而对于Y侧，Ry^100G欧姆。输入 串联电阻器Rx和RY为12.1K。
基于输入计算出的本仿真的电容比值在0.90以上。然而，基于 PCMP信号，CD调制器所产生的电容比值约为0.65。这说明了折回异
常所产生的误差。
图13A和13B示出了利用如图9所示的OTA缓存器70、具有的抗折 回特征的两阶段CD调制器的HSPICE仿真结果。图13A示出了第一级 积分器40'的输出，而图13B示出了PCMP输出信号的波形。
对于图13A和13B所示的仿真，电容为Cx-2,000pF和Cfl0pF。泄 漏电阻器为RxL-500欧姆，Ry!^100G欧姆。输入串联电阻器Rx和RY为 12.1K。因此，电容和电阻值与图12A和12B中的仿真所使用的相同。 用于缓存器70的OTA特性是图11A和11B中所示的OTA特性。
基于输入计算出的电容比值在0.90以上。基于如13B中所示的 PCMP信号，电容比值读数约为0.90。从而，抑制了折回异常。
尽管参照优选实施例对本发明进行了描述，然而，本领域的技术 人员将认识到，在不背离本发明的精神和范围的前提下，可以在形式 和细节方面作出改变。
权利要求
1. 一种两阶段的二阶电容数字CD调制器，用于将第一电容CX和第二电容CY转换为表示(CX-CY)/(CX+CY)的脉冲编码调制PCM信号，所述CD调制器包括第一级Σ-Δ积分器，用于在第一阶段期间选择性地在CX和CY中形成电荷包，以及在第二阶段期间对来自CX和CY的电荷进行积分，以产生第一级输出VOUT1，其中，所述第一级Σ-Δ积分器在第一阶段期间保持VOUT1恒定；第二级Σ-Δ积分器，用于在第一阶段期间对所述第一级输出VOUT1进行采样，并在第二阶段期间对采样的第一级输出进行积分，以产生第二级输出VOUT2；以及量化器，用于将所述第二级输出VOUT2转换为所述PCM信号。
2. 如权利要求1所述的CD调制器，还包括CD控制单元，用于根据所述PCM信号，选择性地向所述第一电容Cx和第二电容Cy提供激励信号。
3. 如权利要求2所述的CD调制器，其中，所述第一级S-A积分器包括积分器输入节点；放大器，具有第一输入、第二输入、和输出；自动归零电容器，连接在所述积分器输入节点与所述放大器的第 一输入之间；反馈电容器，与所述放大器的输出连接；以及开关电路，用于在所述PCM信号具有第一状态时将Cx连接至所述 积分器输入节点，在所述PCM信号具有第二状态时将CY连接至所述积 分器输入节点，在所述第一阶段期间将所述反馈电容器连接至所述第 一输入，以及在所述第二阶段期间按，将所述反馈电容器连接至所述 积分器输入。
4. 如权利要求3所述的CD调制器，其中，在所述第一阶段期间，所述自动归零电容器存储作为Cx或CY的泄漏电阻的函数的电压。
5. 如权利要求4所述的CD调制器，其中，如果Cx被暴露于过压并 呈现出短路条件，则所述自动归零电容器在所述第一阶段期间所存储 的电压使得所述第一级积分器在所述第二阶段期间饱和。
6. 如权利要求3所述的CD调制器，其中，所述激励信号根据所述 PCM信号状态以及所述第一阶段和第二阶段，在第一供电电压电平与 第二供电电压电平之间切换。
7. 如权利要求6所述的CD调制器，其中，所述放大器的第二输入 被连接以接收所述第一供电电压电平。
8. 如权利要求7所述的CD调制器，其中，当所述PCM信号处于所 述第一状态时，所述开关电路通过第一保护电阻将Cx连接至所述第一 供电电压电平，以及当所述PCM信号处于所述第一状态时，所述开关电路通过第二保护电阻将Cy连接至所述第一供电电压电平，以及所述开关电路在所述第一阶段期间通过第三保护电阻将所述积分器输入节 点连接至所述第一供电电压电平。
9. 如权利要求1所述的CD调制器，其中，所述第二级s:-A积分器可响应于复位信号而复位。
10. —种两阶段的二阶电容数字CD调制器，包括 第一级S-A积分器，用于在自动归零阶段期间，根据传感器电容，选择性地形成电荷包，并在积分阶段期间对所述电荷包进行积分，以产生第一级输出VouTp所述第一级输出VouT,仅在所述积分阶段中改变；第二级S-A积分器，用于在所述自动归零阶段期间对所述第一级 输出VouT,进行采样，并在所述积分阶段期间对采样的第一级输出进行 积分，以产生第二级输出VouT2;以及量化器，用于将所述第二级输出VouT2转换为脉冲编码调制信号。
11. 如权利要求10所述的CD调制器，还包括CD控制单元，用于根据所述PCM信号，提供激励信号，以产生 所述电荷包。
12. 如权利要求10所述的CD调制器，其中，所述第一级S-A积分 器包括积分器输入节点；放大器，具有第一输入、第二输入、和输出；自动归零电容器，连接在所述积分器输入节点与所述放大器的第 一输入之间；以及反馈电容器，与所述放大器的输出连接。
13. 如权利要求12所述的CD调制器，其中，在所述自动归零阶段 期间，所述自动归零电容器存储作为传感器泄漏电阻的函数的电压。
14. 如权利要求13所述的CD调制器，其中，在过压和短路条件下， 所述自动归零电容器在所述自动归零阶段存储的电压使得所述第一级 S-A积分器在在所述积分阶段期间饱和。
15. —种差压变送器，包括 第一电容压力传感器； 第二电容压力传感器；第一级S-A积分器，用于在所述第一阶段期间，根据所述第一电 容压力传感器和第二电容压力传感器之一的电容来选择性地形成电荷 包，并在所述第二阶段期间，对所述电荷进行积分，以产生第一级输 出Vcxj^，其中，在连续的第二阶段时间段之间不对所述第一级输出 Voxm进行复位；第二级S-A积分器，用于在第一阶段期间对所述第一级输出Voun 进行采样，并在第二阶段期间对采样的第一级输出进行积分，以产生第二级输出VouT2;以及量化器，用于将所述第二级输出VouT2转换为所述脉冲编码调制PCM信号，所述PCM信号是所述第一电容压力传感器和第二电容压力传感器所传感的压力的函数。
16. 如权利要求15所述的差压变送器，还包括积分器输入节点；放大器，具有第一输入、第二输入、和输出； 自动归零电容器，连接在所述积分器输入节点与所述放大器的第 一输入之间；反馈电容器，与所述放大器的输出连接；以及开关电路，用于在所述PCM信号处于第一状态时将所述第一电容 压力传感器连接至所述积分器输入节点，在所述PCM信号处于第二状 态时将所述第二电容压力传感器连接至所述积分器输入节点，在所述 第一阶段期间将所述反馈电容器连接至所述第一输入，以及在所述第 二阶段期间将所述反馈电容器连接至所述积分器输入。
17. 如权利要求16所示的差压变送器，其中，所述激励信号根据 所述PCM信号状态以及所述第一阶段和第二阶段，在中间电平供电电 压与低电平供电电压之间切换。
18. 如权利要求17所述的差压变送器，其中，所述放大器的第二输入被连接以接收所述中间电平的供电电压。
19. 如权利要求16所述的差压变送器，其中，在所述自动归零阶段期间，所述自动归零电容器存储作为传感器泄漏电阻的函数的电压。
20. 如权利要求19所述的差压变送器，其中，如果过压和短路条 件存在，则所述自动归零电容器所存储的电压使得所述第一级S-A积 分器在所述第二阶段期间饱和。
全文摘要
一种两阶段的二阶电容数字(CD)调制器，包括第一级∑-Δ积分器，所述第一级∑-Δ积分器在自动归零阶段期间根据传感器电容形成电荷包，并在所述积分阶段期间对所述电荷包进行积分，以产生输出电压。所述第一级积分器在所述自动归零阶段期间保持其输出电压，以使得第二级∑-Δ积分器可以在所述自动归零阶段期间对第一级输出电压进行采样，并在所述积分阶段期间对采样的电压进行积分。
文档编号H03M3/00GK101536317SQ200780010477
公开日2009年9月16日 申请日期2007年1月26日 优先权日2006年1月26日
发明者汪荣泰 申请人:费希尔-罗斯蒙德系统公司